KR20130031768A - 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용함으로써, 바람이 블레이드와 접하며 발생되는 양력에 의한 회전력을 이용하여 풍력발전기의 발전효율 및 가동효율을 향상시킬 수 있는 수평축 풍력발전기에 관한 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 지면에 수직으로 설치되는 타워와, 상기 타워의 상단에 수직축을 중심으로 회전 가능하도록 연결되는 나셀과, 상기 나셀과 축결합되는 회전체와, 상기 회전체의 외주면에 피치각을 형성하며 결합되는 하나 이상의 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드는 에어포일의 형상을 가지고, 길이방향을 따라 동일한 폭과 두께로 형성되어 상기 블레이드의 팁 쪽 영역을 중심으로 양력에 의한 회전력이 발생되는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기를 제공한다.

Description

동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기{HORIZONTAL AXIS AEROGENERATOR USING SAME WIDTH AND THICKNESS AIRFOIL BLADE}
본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용함으로써, 바람이 블레이드와 접하며 발생되는 양력에 의한 회전력을 이용하여 풍력발전기의 발전효율 및 가동효율을 향상시킬 수 있는 수평축 풍력발전기에 관한 것이다.
화석에너지로부터 발생되는 온실가스가 지구 온난화를 야기시키는 요소로 지목되면서 전 세계적으로 지구 온난화를 방지하기 위하여 국제기후변화협약이 채택되었고, 이러한 온실가스의 배출을 억제하기 위해 여러 가지 프로그램들이 시행되고 있다. 우리나라 또한 온실가스 배출감소를 위한 해결책을 찾고, 적극적으로 화석에너지의 사용을 줄이기 위한 여러 가지 대안들을 강구해야 하는 현실에 직면하고 있다.
이에 따라 석유, 석탄, 원자력, 천연가스 등의 화석연료를 대체하는 새로운 에너지원으로 정의되는 신재생에너지가 주목 받고 있으며, 신재생에너지란 액화석탄, 수소에너지 등의 신(新)에너지와 동·식물유기물, 햇빛, 바람, 물, 지열 등을 이용하여 친환경적이고 재생가능한 에너지로 변환하는 에너지를 통합해 지칭하는 말이다.
이들 신재생에너지는 재생이 가능하고, 친환경적이며, 무제한적이라는 장점이 있으나, 효율의 상승을 위한 꾸준한 연구개발 및 현재의 불확실한 시장전망의 극복이라는 과제를 안고 있다.
신재생에너지 중 하나인 바람을 이용한 풍력발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적에너지로 변환시키고, 이 기계적에너지로 전기에너지를 발생시키는 기술이다.
풍력발전분야는 최근 대체에너지원으로 부각되며 고성장세를 지속하는 산업으로, 전 세계의 온실가스 감축의 의무화, 기술의 발전으로 인한 발전단가의 하락 등의 이유로 성장이 가속화되고 있다.
풍력발전은 어느 곳에나 산재해 있는 무공해의 무한정한 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 적고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전단지의 발전 단가의 경우 기존의 발전 방식과 비교하여도 효율이 떨어지지 않는 매우 유용한 발전 방법이다.
다만, 바람이 희박하여 에너지의 밀도가 낮은 경우 발전이 어려우므로 특정 지역에 한정하여 설치해야 하며, 정량의 바람이 있을 경우에만 발전이 가능하므로 안정적 전기공급을 위해서는 저장장치 등의 설비가 필요하고, 최근 풍력발전기의 대형화로 인해 소음 발생의 문제가 있으며, 초기 투자비용이 높다는 단점이 있다.
종래의 풍력발전기의 구조는 지면 상에 세워지는 고층의 타워와, 타워의 상단에 설치되는 나셀, 그리고 상기 나셀에 결합되는 회전축과 상기 회전축의 외주면에 설치되는 다수의 블레이드로 구성되며, 나셀 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치 등을 두어 블레이드의 회전력이 회전축을 거쳐 발전기에 이르도록 구성된다.
이때, 상기 블레이드는 상기 회전축과 결합된 허브부분에서는 약 30°, 팁부분에서는 약 2°~ 3°의 피치각을 이루며, 트위스트되도록 형성됨과 아울러 폭과 두께가 점차 좁아지며 얇아지는 형태로 형성되는 것이 일반적이다. 이 경우 피치각을 이루는 블레이드가 정면으로 불어오는 바람을 비스듬하게 받아 블레이드 회전면 뒤쪽으로 자연스럽게 통과시킴으로 인해 발생되는 항력에 의해 상기 블레이드가 회전되는 동시에 블레이드의 회전에 따라 블레이드 끝부분에 양력이 발생되어 블레이드의 회전력을 향상시키게 된다. 즉, 블레이드 회전면으로 불어오는 바람이 회전면을 통과하면서 에너지를 블레이드에 전달하므로 바람의 속도가 약 2/3 가량 줄어들고, 이에 따라 바람의 유동에너지의 최고 59.26%(Betz의 법칙)가 회전동력으로 변환되는 것이다.
그러나, 상기와 같은 풍력발전기는 바람이 블레이드 회전면을 통과하면서 블레이드에 회전동력을 전달하는 구조이기 때문에 바람이 블레이드를 통과한 후 풍속이 낮아지고, 바람이 가지고 있던 유동에너지 중 줄어든 속도에 해당하는 크기의 에너지가 회전동력으로 변환하므로 동력변환효율(Cp)이 높지 않은 한계가 있었다. 이에 따라 기본부하의 점유율을 낮춘 대형 풍력발전기에는 적절히 적용할 수 있지만, 그렇지 못한 소형 풍력발전기는 상대적으로 동력변환효율(Cp)이 약 30% 이하로 낮아져 발전출력이 떨어지는 문제점이 있게 된다.
또한, 기존의 풍력발전기는 블레이드의 구조적 특성상 요구되는 시동풍속이 높아 저풍속 영역에서 사용상의 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 특히, 연간 바람의 풍속별 빈도 분포를 살펴봤을 때 4m/s 이하의 저풍속의 빈도가 60% 이상을 차지하는 점을 고려한다면 실질적인 풍력발전기의 가동효율이 매우 낮게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용하여 동력변환효율(Cp)을 향상시킴으로써, 발전효율 및 가동효율이 높은 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 소형의 풍력발전기에서도 풍속에 따라 피치각을 조절할 수 있는 구성을 가짐으로써, 발전효율을 향상시키고, 매우 강한 바람에도 안정성을 확보할 수 있는 풍력발전기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
아울러 바람이 불어오는 방향으로 중심을 잡을 수 있는 꼬리날개를 이용한 업윈드(Up Wind)방식 및 꼬리날개를 포함하지 않은 채로 불어오는 바람을 관통시키지 않고 외측으로 밀어내는 다운윈드(Down Wind)방식을 이용하여 기존의 발전방식으로 인한 소음 및 진동을 줄이고자 하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 지면에 수직으로 설치되는 타워와, 상기 타워의 상단에 수직축을 중심으로 회전 가능하도록 연결되는 나셀과, 상기 나셀과 축결합되는 회전체와, 상기 회전체의 외주면에 피치각을 형성하며 결합되는 하나 이상의 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드는 에어포일의 형상을 가지고, 길이방향을 따라 동일한 폭과 두께로 형성되어 상기 블레이드의 팁 쪽 영역을 중심으로 양력에 의한 회전력이 발생되는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기를 제공한다.
본 발명의 상기 블레이드는 상부면과 하부면이 대칭인 형상으로 형성되어 상기 상부면과 하부면 양면에 양력에 의한 회전력이 발생하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 블레이드는 상부면과 하부면이 비대칭인 형상으로 형성될 수도 있다.
본 발명은 상기 블레이드의 회전 시 바람이 상기 블레이드의 회전으로 형성되는 회전면과 부딪혀 상기 회전면의 원주방향 가장자리측으로 유도되도록 상기 피치각을 0°로 형성하여 상기 바람의 유동에너지를 회전동력으로 변환시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 회전체의 바람과 마주하는 면에 결합되어 풍속에 따라 수평 직선운동하는 풍속판과, 상기 풍속판의 바람과 마주하지 않는 면에 형성되어 풍속에 따라 상기 풍속판의 수평 직선운동을 조절하는 코일스프링과, 상기 풍속판의 바람과 마주하지 않는 면에 형성되며, 상기 풍속판과 동시에 수평 직선운동을 하도록 형성된 제1기어와, 상기 블레이드의 허브 쪽에 형성되며, 상기 제1기어와 맞물려 원운동을 하도록 형성된 제2기어를 더 포함하여 상기 풍속판 및 제1기어의 수평 직선운동에 따라 상기 제2기어가 회전하며 상기 블레이드의 피치각을 가변시킬 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 회전체와 결합하는 피치각 조절모터와, 상기 피치각 조절모터에 연결되어 상기 블레이드에 동력을 전달하는 제3기어를 더 포함하여 상기 피치각 조절모터의 회전량 조절에 따라 상기 제3기어가 회전하며 상기 블레이드의 피치각을 가변시킬 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 타워의 일측에 풍속감지센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 나셀의 후면에 결합되는 꼬리날개를 더 포함하여 바람이 상기 타워보다 먼저 상기 블레이드를 마주하게 되는 업윈드 방식으로 발전하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 풍력발전기에 적용되는 블레이드가 동일한 두께와 폭을 가지는 에어포일의 형태로 이루어짐으로써, 상기 블레이드의 많은 영역에서 양력과 추력이 발생되어 회전력이 향상됨은 물론, 바람이 블레이드의 피치각이 0°로 설정되어 형성되는 회전면을 관통하지 못하고, 가지고 있던 유동에너지를 회전동력으로 변환시키게 되어 회전력이 상승하는 효과가 있다.
또한, 피치각을 가변할 수 있도록 함으로써, 풍속에 따라 적절한 피치각을 이용하여 발전효율이 향상되고, 안정성이 확보되는 효과가 있다.
아울러 꼬리날개의 유·무에 관계없이 기존의 발전방식으로 인한 소음 및 진동을 감소시키는 효과가 있다.
그리고 저풍속에서도 높은 회전력이 발생되므로, 저풍속의 빈도가 높은 장소에도 설치할 수 있어 효용성이 뛰어나며, 이로 인해 발전기의 가동효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드의 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드 회전면 및 바람의 흐름을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍속판, 제1기어 및 제2기어를 포함하여 피치각을 가변시킬 수 있는 구성을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 피치각 조절모터 및 제3기어를 포함하여 피치각을 가변시킬 수 있는 구성을 나타낸 예시도.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 꼬리날개를 더 포함하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 사시도.
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 꼬리날개를 포함하지 않는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 사시도.
도 8a 내지 도 8d는 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 풍속에 따른 표면의 유선분포를 나타낸 CFD해석결과.
도 9a 내지 도 9c는 4가지 다른 형태의 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 위치에 따른 압력계수분포를 나타낸 CFD해석결과.
도 10a 내지 도 10b는 풍동실험과 CFD수치해석에 따른 발전출력 및 동력변환효율을 비교한 예시도.
도 11a 내지 도 11b는 4가지 다른 형태의 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 CFD해석결과에 의한 발전출력 및 동력변환효율을 비교한 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100)는 지면에 수직으로 설치되는 타워(110)와, 상기 타워(110)의 상단에 수직축을 중심으로 회전 가능하도록 연결되는 나셀(120)과, 상기 나셀(120)과 축결합되는 회전체(130)와, 상기 회전체(130)의 외주면에 피치각을 형성하며 결합되는 하나 이상의 블레이드(140)를 포함하며, 상기 블레이드(140)는 에어포일의 형상을 가지고, 길이방향을 따라 동일한 폭과 두께로 형성된다. 상기 블레이드(140)의 팁 쪽 영역을 중심으로 양력에 의한 회전력을 발생시키기 위함이다.
상기 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100)는 바람이 상기 블레이드(140)에 접하며 발생되는 회전동력에 의해 상기 회전체(130)가 회전하며 기계적에너지가 생산되는 방식에 의한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 블레이드(140)는 동일한 폭과 두께로 형성되며, 에어포일 즉, 비행기의 날개 형상과 유사하도록 형성된다. 그리고 도 3에 도시된 블레이드(140)의 종단면을 보면, 단면의 중심을 지나는 A선을 기준으로 상부면 및 하부면이 동일한 굴곡 형태를 가지는 대칭의 형상으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 중심을 지나는 B선을 기준으로 하였을 경우에는 대칭의 형상이 아니며, C선이 지나는 일측 끝단 약 1/4 지점의 두께가 가장 두꺼운 형태를 가진다.
다만, 본 발명의 동일한 폭과 두께로 형성된 블레이드(140)는 상부면과 하부면이 동일한 굴곡 형태를 가지는 대칭의 형상으로 형성될 수도 있고, 상부면과 하부면이 소정의 차이를 갖는 비대칭의 형상으로 형성될 수도 있다.
따라서, 상기 블레이드(140)는 회전을 통해 바람을 가르게 되고, 갈라진 바람은 상기 블레이드(140)의 상부면 및 하부면을 따라 유동적으로 흐르게 되는데 이때, 상기 블레이드(140)의 양쪽 면 모두에 많은 양의 풍량이 유동되면서 양력이 발생하고 이에 의해 회전력이 발생하게 된다.
결국, 종래의 풍력발전기의 경우 블레이드의 일면에서는 양력에 의한 회전력이 발생하지만 반대면에서는 양력 및 그에 의한 추력이 발생될 여지가 적어 회전력 및 발전량이 높지 않은 문제가 있었으나, 본 발명의 대칭형 에어포일 형상의 블레이드(140)는 양쪽 면 모두에서 양력과 추력을 발생시키게 되므로 종래의 풍력발전기보다 회전력 및 발전량을 획기적으로 향상시키는 효과를 달성하게 된다. 이러한 양력과 추력은 상기 블레이드(140)의 회전과 비례하여 증가하게 된다.
또한, 상기 블레이드(140)는 길이방향을 따라 동일한 폭과 두께로 형성되어 상기 블레이드(140)의 많은 영역에서 일정한 양력과 추력이 발생되도록 이루어지는 것이 바람직한데, 이에 의해 회전력이 더욱 상승하는 효과를 가져온다.
즉, 풍력발전기는 블레이드의 팁 부분의 약 30% 영역에서 고속의 공기 유동과 블레이드의 상호작용에 따라 양력에 의한 추력이 발생하는데, 종래의 블레이드는 이 부분의 폭이 좁고 그 결과 면적비율이 상대적으로 낮아 동력변환효율(Cp)이 낮지만, 본 발명은 블레이드(140) 전체의 폭과 두께가 동일하여 팁 부분에서 공기유동과 상호작용하는 영역의 면적비율이 상대적으로 높아 양력에 의한 추력이 크게 발생하게 되므로 그 효율이 향상될 수 있다. 이와 관련된 유동 해석 결과가 도 8a 내지 도 8d에 도시되어 있으며, 보다 상세한 설명은 후술한다.
아울러 상기 블레이드(140)는 피치각을 0°로 조절한 상태로 회전하여 회전면을 형성할 수 있고, 이에 따라 불어오는 바람을 관통시키는 것이 아니라 상기 회전면의 원주방향 가장자리측으로 유도하면서 상기 바람의 속도가 더욱 증가하게 되어 바람의 유동에너지를 회전동력으로 변환하는데 더욱 효과적이다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 블레이드(140)가 피치각을 0°로 조절한 상태로 고속 회전하게 되면 원판형상의 회전면이 형성되고, 불어오는 바람은 상기 회전면에 가로막혀 관통하지 못하며, 계속해서 불어오는 바람에 의해 회전면의 원주방향 가장자리측으로 밀려나게 된다. 따라서, 바람의 속도가 더욱 증가하게 되어 유동에너지가 회전동력으로 변환되는 힘이 커지게 되고, 그에 따라 블레이드(140)의 회전속도가 더욱 상승하여 결과적으로 높은 발전출력을 얻을 수 있게 된다.
한편, 상기 블레이드(140)와 상기 블레이드(140)가 회전하며 형성되는 회전면이 이루는 피치각은 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다. 일반적으로 상기 피치각은 0°~ 30°의 범위 내에서 변하게 되며, 본 발명에서는 발전효율 및 가동효율의 향상을 위해 0°의 피치각을 유지하다가 풍력발전기의 손상이 우려될 정도의 초고속의 바람이 불어오는 경우 상기 피치각을 증가시킴으로써 바람이 회전면을 관통하도록 유도해 안정적인 발전을 가능하도록 하는 역할을 한다.
또한, 풍속의 변화에 따라 효율적인 회전력을 얻기 위해 피치각을 수시로 가변시킬 수도 있다. 저풍속에서는 상기 피치각이 약 30°를 이루도록 하고, 저풍속에서 고풍속으로 변환되면 상기 피치각이 점차 줄어들면서 약 0°를 이루게 하는 등 풍력발전기의 효율적 운영을 위해 다양한 각도의 피치각이 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍속판, 제1기어 및 제2기어를 포함하여 피치각을 가변시킬 수 있는 구성을 나타낸 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 블레이드(140)의 피치각 변환을 가능케 하기 위하여 본 발명은, 상기 회전체(130)의 바람과 마주하는 면에 결합되어 풍속에 따라 수평 직선운동하는 풍속판(200)과, 상기 풍속판(200)의 바람과 마주하지 않는 면에 형성되어 풍속에 따라 상기 풍속판(200)의 수평 직선운동을 조절하는 코일스프링(210)과, 상기 풍속판(200)의 바람과 마주하지 않는 면에 형성되며, 상기 풍속판(200)과 동시에 수평 직선운동을 하도록 형성된 제1기어(220)와, 상기 블레이드(140)의 허브 쪽에 형성되며, 상기 제1기어(220)와 맞물려 원운동을 하도록 형성된 제2기어(230)를 더 포함하여 상기 풍속판(200) 및 제1기어(220)의 수평 직선운동에 따라 상기 제2기어(230)가 회전하며 상기 블레이드(140)의 피치각을 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다.
이는 풍속에 따라 상기 풍속판(200)과 제1기어(220)가 상기 코일스프링(210)의 작용에 의해 수평 직선운동을 하면서 상기 제1기어(220)와 맞물려 원운동을 하는 제2기어(230)를 회전시켜 피치각을 조절하게 되는 방식이다.
다시 말해 저풍속에서는 상기 풍속판(200)이 전방을 향해 수평 직선운동을 하며 이동하고, 고풍속에서는 바람에 의한 압력으로 상기 풍속판(200)이 후방을 향해 수평 직선운동을 하며 이동하게 되는데, 이때 상기 풍속판(200)이 전방을 향해 수평 직선운동을 하면 상기 제1기어(220)와 맞물린 제2기어(230)가 회전하며 피치각을 증가시키고, 상기 풍속판(200)이 후방을 향해 수평 직선운동을 하면 상기 제1기어(220)와 맞물린 제2기어(230)가 반대 방향으로 회전하며 피치각을 감소시키게 된다.
따라서, 사용자의 별도의 조작 없이도 풍속의 변화에 따라 피치각이 자동적으로 변화하면서 각 풍속에 적합한 피치각을 유지할 수 있어 높은 동력변환효율과 안정성을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 피치각 조절모터 및 제3기어를 포함하여 피치각을 가변시킬 수 있는 구성을 나타낸 예시도이다.
도 5의 풍속판(200)을 이용하여 피치각을 가변시킬 수 있는 구성과 달리 도 6에 도시된 피치각 변환을 가능케 하기 위한 본 발명은, 상기 회전체(130)와 결합하는 피치각 조절모터(300)와, 상기 피치각 조절모터(300)에 연결되어 상기 블레이드(140)에 동력을 전달하는 제3기어(310)를 더 포함하여 상기 피치각 조절모터(300)의 회전량 조절에 따라 상기 제3기어(310)가 회전하며 상기 블레이드(140)의 피치각을 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다.
즉, 이 경우에는 시스템이 풍속을 감지하여 상기 피치각 조절모터(300)를 작동시키고, 상기 피치각 조절모터(300)와 연결된 제3기어(310)가 회전함으로 인해 원하는 적절한 각도의 피치각을 형성할 수 있게 되는데, 상기 제3기어(310)의 수는 피치각의 조절이 필요한 블레이드(140)의 수와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 피치각 조절모터(300)를 이용하여 피치각을 조절하기 위해서는 현재 풍력발전기를 향해 불어오는 바람의 풍속을 확인해야 하는데, 이를 위해 본 발명은 상기 타워(110)의 일측에 풍속감지센서를 더 포함할 수 있다. 상기 풍속감지센서와 연결하여 피치각을 자동으로 제어할 수 있는 시스템을 구비할 수도 있고, 상기 풍속감지센서를 통해 얻은 현재 풍속을 참고하여 피치각 조절모터(300)를 작동시키는 등 피치각의 조절을 위해 다양한 방법들을 이용할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 꼬리날개를 더 포함하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 사시도이고, 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 꼬리날개를 포함하지 않는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 사시도이다.
도 7a에 도시된 바와 같이 상기 나셀(120)의 후면에 결합되는 꼬리날개(500)를 더 포함함으로써, 바람이 타워(110)보다 먼저 블레이드(140)를 마주하게 되는 방식으로 발전할 수 있게 된다. 상기 꼬리날개(500)는 바람이 불어오는 방향을 감지하여 상기 회전체(130)가 항상 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하기 위한 것으로, 이러한 발전 방식을 업윈드 방식이라 하는데, 이와 반대인 다운윈드 방식은 바람이 블레이드(140)보다 먼저 타워(110)를 마주하도록 발전하는 방식이다.
도 7b에 도시된 상기 다운윈드 방식은 꼬리날개(500)를 필요로 하지 않아 생산비를 절감하고, 제조방식을 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 일반적인 풍력발전기의 경우 바람이 타워를 먼저 통과한 후 블레이드로 흘러가게 되면 이로 인한 난류 또는 와류가 형성되고, 이러한 바람이 회전면으로 유입됨으로써 진동 및 소음이 발생하는 것을 피하기 위하여 업윈드 방식을 택하고 있다. 다만, 본 발명에서는 블레이드(140)의 피치각을 0°로 설정함으로써, 바람이 상기 블레이드(140)의 회전으로 형성되는 회전면을 관통하는 것이 아니라 원주방향 가장자리측으로 유도되면서 에너지를 얻게 되기 때문에 회전면이 꼬리날개(500)의 역할을 대신하게 되고, 바람이 먼저 타워(110)를 통과하더라도 난류나 와류의 발생이 적게 되어 이로 인한 진동과 소음을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 형상의 블레이드(140)를 이용함으로써, 꼬리날개(500)가 필요 없는 다운윈드 방식 및 상기 꼬리날개(500)를 포함하는 업윈드 방식 모두를 이용하여 발전할 수 있고, 설치될 장소의 바람의 특성, 공간적 특징 및 주변 환경 등을 고려하여 발전방식을 선택한다면 더욱 효율적이고 효과적인 발전시스템을 형성할 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 기술적 구성이 적용된 수평축 풍력발전기의 실질적인 발전효율을 확인하기 위하여 풍동실험 및 CFD수치해석을 실시하였다.
먼저, 풍동실험은 2012년 1월 31일에 표 1과 같은 조건으로 실시하였고, 그 결과는 표 2와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기의 실험결과에서 확인할 수 있듯이, 풍속 및 풍량이 증가함에 따라 발전출력 및 동력변환효율(Cp)이 증가함을 알 수 있다. 더 자세히 살펴보면 발전출력은 풍속의 상승에 따라 더욱 큰 폭으로 증가하는 경향을 보이나, 동력변환효율(Cp)은 약 5m/s 이하의 풍속에서는 풍속에 비례하여 증가하지만 그보다 강한 풍속에서는 증가하되, 증가율은 높지 않은 경향을 보인다.
또한, 3.25m/s의 풍속에서 4.17(w)의 발전출력 및 0.140의 동력변환효율(Cp)을, 3.90m/s의 풍속에서 11.47(w)의 발전출력 및 0.219의 동력변환효율(Cp)을 가지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명은 4m/s 이하의 저풍속에서도 일정량의 발전출력 및 동력변환효율(Cp)을 가지게 되어 풍력발전기의 가동효율을 효과적으로 상승시키게 된다.
상기의 풍동실험을 주관한 주식회사 CKP풍공학연구소에서는 본 발명을 "일정한 RPM에 이르게 되면 접근하는 풍속과 회전하는 블레이드의 받음각으로 인해 좋은 회전력을 발생시킬 수 있는 장점을 가진 풍력발전시스템이며, 좋은 출력성능을 기대할 수 있다"라고 평가하였다.
본 풍동실험의 발전출력은 실제 측정한 값이고, 로터효율은 발전기효율과 정류기 변환효율을 적용하여 산출한 값이며, 이후 CFD수치해석의 결과값과 비교하기로 한다.
다음으로 실시한 CFD수치해석은 3차원 유동해석 및 성능평가를 위하여 상용코드인 CFX ver 13.0을 사용하여 실시하였다.
본 CFD수치해석에 이용된 블레이드(140)는 길이 0.75m(블레이드 회전면의 직경 1.5m), 시위길이(블레이드의 폭) 0.09m의 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 형태이고, 블레이드(140)의 단면은 도 3에 도시된 바와 같으며, 단면의 일측 끝단 1/4지점의 두께가 가장 두껍게 형성되는 특징을 가진다.
또한, 동일한 형태의 블레이드(140) 중에서 블레이드(140)의 두께가 가장 두꺼운 지점의 두께가 1.8cm인 블레이드(이하 '제1실시예'라고 한다), 1.2cm인 블레이드(이하 '제2실시예'라고 한다) 및 2.1cm인 블레이드(이하 '제3실시예'라고 한다)를 비교하여 해석하였다.
먼저, 풍속에 따른 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 표면유선을 도 8a 내지 도 8d에 나타내었다.
도 8a는 풍속 3.9m/s, 회전속도 303rpm, 팁속도비율 6.10에서 블레이드(140)의 표면유선을 나타낸 것이고, 도 8b는 풍속 6.14m/s, 회전속도 491.7rpm, 팁속도비율 6.29에서 블레이드(140)의 표면유선을 나타낸 것이며, 도 8c는 풍속 9.93m/s, 회전속도 817.29rpm, 팁속도비율 6.46에서 블레이드(140)의 표면유선을 나타낸 것이고, 도 8d는 풍속 12.36m/s, 회전속도 1006.8rpm, 팁속도비율 6.4에서 블레이드(140)의 표면유선을 나타낸 것이다.
도 8a의 블레이드(140)의 유선분포를 보면 팁 방향의 일부 구간을 제외하고는 블레이드(140)의 약 80% 정도에 실속이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 그 이후 풍속이 증가할수록 실속영역이 블레이드(140)의 표면의 팁 방향에서 허브 방향으로 축소되어 가게 된다. 이는 유입풍속이 증가함에 따라 블레이드(140)의 회전수가 더욱 증가하고, 결과적으로 받음각이 감소하게 되어 이로 인해 실속이 줄어드는 것으로 볼 수 있다. 상기 실속이란 블레이드(140)에 발생하는 양력을 감소시켜 출력을 낮게 만드는 원인이 된다.
이와 같은 결과를 참조하면, 종래의 블레이드는 길이방향을 따라 폭과 두께가 일정치 않고, 비대칭형의 형태를 가짐으로써, 블레이드 표면의 실속영역이 상대적으로 크게 형성되어 양력에 의한 회전력이 감소하게 된다. 달리 말하면, 양력과 그에 의한 추력을 발생시키는 바람의 유동적인 흐름을 받는 블레이드의 팁 영역의 면적이 작게 형성되어 블레이드의 회전력이 감소하게 되는 것이다.
그러나 본 발명의 블레이드(140)는 표면에 출력의 감소를 야기시키는 실속영역이 작고, 이에 반해 양력과 추력을 발생시키는 바람의 유동적인 흐름을 받는 블레이드(140)의 팁 영역의 면적이 크게 형성되어 블레이드(140)의 회전력이 향상되는 결과를 가져온다.
도 9a 내지 도 9c는 4가지 다른 형태의 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 위치에 따른 압력계수분포를 나타낸 CFD해석결과이다.
상기 그래프의 WP-01은 제1실시예에 해당하고, NACA 0012는 제2실시예에, NACA 0021은 제3실시예에 해당한다. 또한, 50% 의 의미는 블레이드(140)의 허브로부터 상기 블레이드(140) 길이의 50% 만큼 팁 쪽으로 이동한 곳의 위치에서 측정한 것을 의미한다. 마찬가지로 10% 는 블레이드(140)의 허브로부터 상기 블레이드(140) 길이의 10% 만큼 팁 쪽으로 이동한 곳의 위치에서 측정한 것을 의미하며, 90% 는 블레이드(140)의 허브로부터 상기 블레이드(140) 길이의 90% 만큼 팁 쪽으로 이동한 곳의 위치에서 측정한 것을 의미한다.
상기 도 9a 내지 도 9c를 살펴보면 블레이드(140)의 얇은 쪽 방향으로 근접할수록 압력계수가 0으로 수렴하는 공통점을 갖는다. 다만, 허브에서 팁 방향으로 블레이드(140)의 10%, 50%, 90% 에 해당하는 위치에 따라 압력계수의 절대값의 분포범위가 다른 차이를 갖는데, 10% 의 위치인 경우 약 -1.8 ~ 0.3 사이의 값을 가지고, 50% 의 위치인 경우 약 -4.0 ~ 1.3 사이의 값을 가지며, 90% 의 위치인 경우 -6.8 ~ 3.5 사이의 값을 가진다. 이는 상기 도 8a 내지 8d에 의한 결과에서도 알 수 있듯이, 블레이드(140)의 팁 부분에 의해 얻어지는 회전동력이 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드(140)에서 중요한 부분임을 나타낸다.
즉, 종래의 블레이드는 길이방향을 따라 폭과 두께가 감소하는 형태로 형성되어 블레이드의 팁 부분에서 바람과의 상호작용이 작게 되고, 이로 인해 발생하는 양력과 추력이 작아 블레이드의 회전력이 상대적으로 낮은 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 블레이드(140)는 길이방향을 따라 일정한 폭과 두께를 갖는 형태로 형성되어 블레이드(140)의 팁 부분에서 받는 회전동력이 상대적으로 크게 되고, 이에 따라 양력 및 추력이 증가하여 회전력이 비약적으로 상승하게 되는 효과가 있다. 회전력의 상승은 곧 발전출력 및 가동효율의 상승을 가져오게 되므로 본 발명으로 인해 종래의 기술보다 효율적인 풍력발전시스템을 구성할 수 있게 된다.
도 10a 내지 도 10b는 풍동실험과 CFD수치해석에 따른 발전출력 및 동력변환효율을 비교한 예시도이다.
먼저 도 10a를 살펴보면, 풍동실험과 CFD수치해석 모두 풍속의 증가함에 따라 발전출력이 증가함을 확인할 수 있다. 그 수치 또한 매우 근사하여 오차가 거의 발생하지 않은 것으로 볼 수 있다.
그리고 동력변환효율(Cp)을 비교한 도 10b를 살펴보면, 발전출력의 비교와는 달리 오차가 조금 증가한 것을 확인할 수 있지만, 풍속의 증가에 따라 동력변환효율(Cp) 또한 증가하는 것을 볼 수 있고, 증가하는 선의 모양도 매우 흡사하여 유사한 동력변환효율(Cp)의 특징을 가지는 것을 알 수 있다.
도 11a 내지 도 11b는 4가지 다른 형태의 동일한 폭과 두께로 형성된 대칭형 에어포일 블레이드의 CFD해석결과에 의한 발전출력 및 동력변환효율을 비교한 예시도이다.
먼저 도 11a를 보면, 풍속에 따라 출력이 증가하지만, 블레이드(140)의 형태에 따라 출력의 크기가 다른 것을 알 수 있다. 결과적으로는 제3실시예, 제1실시예, 제2실시예의 순으로 발전출력이 높게 된다.
이어서 도 11b를 보면, 전체적으로 풍속이 증가할수록 동력변환효율(Cp)이 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 다만, 블레이드(140)의 팁 방향으로 50% 에 해당하는 위치에서는 전체적으로 낮은 동력변환효율(Cp)을 가지고, 풍속이 약 5.5m/s 이하에서는 제3실시예, 제2실시예, 제1실시예의 순으로 동력변환효율(Cp)이 높으며, 그 이상의 풍속에서는 제3실시예, 제1실시예, 제2 실시예의 순으로 동력변환효율(Cp)이 높음을 알 수 있다.
결국, CFD의 수치해석 결과 가장 높은 발전출력과 동력변환효율(Cp)을 가지는 블레이드(140)는 제3실시예이고, 이에 따라 블레이드(140)의 두께를 적절히 조절할 필요가 있다고 여겨진다.
결과값을 검토하면, 풍동실험에 의한 성능결과는 정격풍속 부근의 12.36m/s에서 발전출력은 761.12(w)이고, 동력변환효율(Cp)은 0.385이며, 동일 풍속의 CFD수치해석 결과에서는 발전출력은 720.50(w)이고, 동력변환효율은(Cp) 0.365에 해당한다. 발전출력은 40.62(w), 동력변환효율(Cp)은 0.02만큼의 차이가 발생하였고, 이로 인한 오차는 5% 이내에 해당한다.
본 발명에서 언급하지 않은 블레이드(140)의 회전으로 인해 발생하는 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기는 공지·공용의 기술로서 풍력발전기의 궁극적 목적인 전기에너지 생산에 필요함은 물론이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 풍력발전기에 적용되는 블레이드(140)가 동일한 폭과 두께로 형성되고, 대칭형의 에어포일의 형태로 이루어짐으로써, 상기 블레이드(140)의 양쪽 면 전체에 양력과 추력이 발생하여 회전력이 향상되고, 그로 인한 발전효율 및 가동효율이 높은 장점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 : 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기
110 : 타워
120 : 나셀
130 : 회전체
140 : 블레이드
200 : 풍속판
210 : 코일스프링
220 : 제1기어
230 : 제2기어
300 : 피치각 조절모터
310 : 제3기어
500 : 꼬리날개

Claims (8)

  1. 지면에 수직으로 설치되는 타워(110);
    상기 타워(110)의 상단에 수직축을 중심으로 회전 가능하도록 연결되는 나셀(120);
    상기 나셀(120)과 축결합되는 회전체(130); 및
    상기 회전체(130)의 외주면에 피치각을 형성하며 결합되는 하나 이상의 블레이드(140); 를 포함하되,
    상기 블레이드(140)는 에어포일(airfoil)의 형상을 가지고, 길이방향을 따라 동일한 폭과 두께로 형성되어 상기 블레이드(140)의 팁 쪽 영역을 중심으로 양력에 의한 회전력이 발생되는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)는 상부면과 하부면이 대칭인 형상으로 형성되어 상기 상부면과 하부면 양면에 양력에 의한 회전력이 발생하는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)는 상부면과 하부면이 비대칭인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)의 회전 시 바람이 상기 블레이드(140)의 회전으로 형성되는 회전면과 부딪혀 상기 회전면의 원주방향 가장자리측으로 유도되도록 상기 피치각을 0°로 형성하여 상기 바람의 유동에너지를 회전동력으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 회전체(130)의 바람과 마주하는 면에 결합되어 풍속에 따라 수평 직선운동하는 풍속판(200);
    상기 풍속판(200)의 바람과 마주하지 않는 면에 형성되어 풍속에 따라 상기 풍속판(200)의 수평 직선운동을 조절하는 코일스프링(210);
    상기 풍속판(200)의 바람과 마주하지 않는 면에 형성되며, 상기 풍속판(200)과 동시에 수평 직선운동을 하도록 형성된 제1기어(220); 및
    상기 블레이드(140)의 허브 쪽에 형성되며, 상기 제1기어(220)와 맞물려 원운동을 하도록 형성된 제2기어(230); 를 더 포함하여 상기 풍속판(200) 및 제1기어(220)의 수평 직선운동에 따라 상기 제2기어(230)가 회전하며 상기 블레이드(140)의 피치각을 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 회전체(130)와 결합하는 피치각 조절모터(300); 및
    상기 피치각 조절모터(300)에 연결되어 상기 블레이드(140)에 동력을 전달하는 제3기어(310); 를 더 포함하여 상기 피치각 조절모터(300)의 회전량 조절에 따라 상기 제3기어(310)가 회전하며 상기 블레이드(140)의 피치각을 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 타워(110)의 일측에 풍속감지센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 나셀(120)의 후면에 결합되는 꼬리날개(500)를 더 포함하여 바람이 상기 타워(110)보다 먼저 상기 블레이드(140)를 마주하게 되는 업윈드(Up Wind) 방식으로 발전하는 것을 특징으로 하는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기(100).
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